محیط شدید -196 درجه، محدودیت‌های مواد را آشکار می‌کند که در دمای معمولی کاملاً پنهان می‌مانند. عملکرد بخاری کارتریج در کاربردهای برودتی اساساً به اصول علم مواد حاکم بر رفتار مکانیکی، حرارتی و الکتریکی در دماهای پایین بستگی دارد. درک عمیق این مبانی علمی توضیح می دهد که چرا انتخاب مواد، کاربردهای موفق طولانی مدت را از خرابی های سریع و مشکلات تعمیر و نگهداری مکرر متمایز می کند.
رفتار مواد فلزی به‌طور چشمگیری در دماهای برودتی تغییر می‌کند، به گونه‌ای که تصمیمات طراحی حیاتی را هدایت می‌کند. ساختارهای کریستالی مکعبی در مرکز، مشخصه فولادهای زنگ نزن آستنیتی، شکل پذیری و چقرمگی شکست را در -196 درجه حفظ می کنند. در مقابل، ساختارهای مکعبی مرکز{5}}بدن در این دماها بسیار شکننده و مستعد شکستگی می‌شوند. این ملاحظات کریستالوگرافی اساسی، انتخاب مواد غلاف را به سمت 316L، 321، و گریدهای تخصصی مشابه با وجود هزینه های بالاتر مواد سوق می دهد.
ویژگی های انبساط حرارتی محدودیت های طراحی ایجاد می کند که بر هر جنبه ای از ساخت بخاری تأثیر می گذارد. مواد مختلف زمانی که تا دمای برودتی سرد می شوند با سرعت های متفاوتی منقبض می شوند. ساخت بخاری شامل مواد متعددی از جمله فلز غلاف، عایق سرامیکی، سیم مقاومتی و مواد آب بندی است که هر کدام دارای ضرایب انبساط حرارتی متمایز هستند. طراحی باید این انقباضات دیفرانسیل را بدون ایجاد تنش های داخلی مخرب که باعث ترک خوردگی یا خرابی های الکتریکی می شود، منطبق کند.
ضرایب دمای مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه ای بر محاسبات عملکرد بخاری تأثیر می گذارد. مواد سیم‌های مقاومتی مقاومت تغییر یافته‌ای را در دماهای برودتی نشان می‌دهند، که معمولاً با کاهش دما مقاومت را کاهش می‌دهند. این در مقایسه با محاسبات دمای اتاق{2}}روی خروجی واقعی، مصرف جریان و ولتاژ مورد نیاز را تحت تأثیر قرار می دهد. محاسبات طراحی مناسب باید مقاومت واقعی در دمای عملیاتی را به جای مقادیر مناسب دمای اتاق{4}} که منجر به خطاهای مشخصات می شود، در خود داشته باشد.
خواص دی الکتریک مواد عایق به طور قابل توجهی با دما به روش های پیچیده متفاوت است. اکسید منیزیم، عایق بخاری کارتریج استاندارد، برای خدمات برودتی قابل اعتماد نیاز به اصلاحات پردازش خاصی دارد. محتوای رطوبت، چگالی تراکم، توزیع اندازه دانه و خلوص همگی بر استحکام دی الکتریک در دمای پایین تأثیر می‌گذارند. پردازش تخصصی و کنترل کیفیت، عایق قابل اعتماد را در جایی که مواد استاندارد دچار شکست دی الکتریک می شوند، تضمین می کند.
مواد پلیمری در دماهای برودتی با محدودیت های اساسی شدیدی مواجه هستند که استفاده از آنها را در کاربردهای حیاتی حذف می کند. عایق سیم استاندارد، مهر و موم، و ترکیبات گلدانی تحت کمترین تنش مکانیکی، شیشه-شکننده می‌شوند و ترک می‌خورند. انتخاب مواد برای این کاربردها به فلوروپلیمرهای تخصصی با انعطاف پذیری محدود تبدیل می شود یا پلیمرها را کاملاً به نفع سیستم های سرامیکی یا فلزی که یکپارچگی را حفظ می کنند حذف می کند.
ترکیبات بین فلزی و اثرات انتشار بر عملکرد بلندمدت- در رابط های مواد تأثیر می گذارد. ترکیبات موادی که در دماهای متوسط به اندازه کافی عمل می کنند ممکن است فازهای بین فلزی شکننده ایجاد کنند یا در دماهای برودتی شتاب انتشار اتمی را تجربه کنند. تجزیه و تحلیل سازگاری متالورژیکی از این مکانیسم های تخریب ظریف که باعث خرابی های تاخیری می شود جلوگیری می کند.
گواهی مواد و قابلیت ردیابی از الزامات تضمین کیفیت برای کاربردهای حیاتی پشتیبانی می کند. کاربردهای برودتی اغلب به مستندات جامعی از ترکیب مواد، تاریخچه پردازش، سوابق عملیات حرارتی و نتایج آزمایش نیاز دارند. کنترل های زنجیره تامین و بازرسی ورودی تضمین می کند که مواد مشخص شده واقعا وارد تولید می شوند. این سیستم های کیفی هزینه ساخت را اضافه می کنند اما قابلیت اطمینان عملکرد و انطباق با مقررات را تضمین می کنند.
